Những công nghệ sản xuất hydro phổ biến nhất hiện nay (cập nhật tháng 7/2023)

Mặc dù có nhiều trên trái đất dưới dạng một nguyên tố, nhưng hydro hầu như luôn được tìm thấy dưới dạng một phần của hợp chất khác, chẳng hạn như nước (H2O), hoặc metan (CH4) và nó phải được tách thành hydro tinh khiết (H2) để sử dụng như dùng cho xe điện chạy bằng pin nhiên liệu. Nhiên liệu hydro kết hợp với oxy từ không khí thông qua pin nhiên liệu tạo ra điện và nước qua quá trình điện hóa. Hydro có thể được sản xuất từ các nguồn tài nguyên đa dạng, như nhiên liệu hóa thạch, sinh khối và điện phân nước bằng điện. Tác động môi trường và hiệu quả năng lượng của hydro phụ thuộc vào cách nó được sản xuất.

Tiêu chuẩn hydro sạch là phát thải 2 kg CO2e/kg H2 đã được Văn phòng Công nghệ pin nhiên liệu và hydro (Hoa Kỳ) công bố dựa trên Luật Cơ sở hạ tầng Lưỡng đảng. Tiêu chuẩn này là một cách để áp dụng định nghĩa hydro sạch độc lập với công nghệ. Thách thức chính đối với sản xuất hydro là giảm chi phí công nghệ sản xuất để làm cho chi phí hydro thu được có thể cạnh tranh với nhiên liệu vận chuyển thông thường.

Dưới đây là những công nghệ sản xuất hydro phổ biến nhất hiện nay:

1. Reforming/khí hóa khí thiên nhiên:

(Natural Gas Reforming/Gasification) - hỗn hợp của hydro, carbon monoxide và một lượng nhỏ carbon dioxide được tạo ra bằng cách phản ứng của khí tự nhiên với hơi nước ở nhiệt độ cao (700°C - 1.000°C). Carbon monoxide phản ứng với nước để tạo ra thêm hydro. Phương pháp này là rẻ nhất, hiệu quả nhất và phổ biến nhất.

Khí tổng hợp cũng có thể được tạo ra bằng cách cho than, hoặc sinh khối phản ứng với hơi nước và oxy ở nhiệt độ cao trong lò khí hóa điều áp. Điều này chuyển đổi than, hoặc sinh khối thành các thành phần khí - một quá trình được gọi là khí hóa (Gasification). Khí tổng hợp thu được chứa hydro và carbon monoxide, được phản ứng với hơi nước để tách hydro.

Reforming khí thiên nhiên (Natural gas reforming - NGR) là một quy trình sản xuất tiên tiến và chín muồi được xây dựng dựa trên cơ sở hạ tầng cung cấp đường ống dẫn khí đốt tự nhiên hiện có. Hiện nay, 95% hydro được sản xuất tại Hoa Kỳ là bằng công nghệ này trong các nhà máy, trung tâm lớn. Đây là một quy trình trình công nghệ quan trọng để sản xuất hydro trong thời gian ngắn.

- Reforming hơi nước - Methane (Steam - Methane Reforming):

Đây là một quy trình sản xuất đã được chứng minh là chín muồi, trong đó, hơi nước ở nhiệt độ cao (700°C - 1.000°C) được sử dụng để sản xuất hydro từ nguồn khí mêtan (chẳng hạn như khí tự nhiên). Trong reforming (hiểu đơn giản là tái sinh) hơi nước - metan, khí metan phản ứng với hơi nước dưới áp suất 3 - 25 bar (1 bar = 14,5 psi) với sự có mặt của chất xúc tác để tạo ra hydro, carbon monoxide và một lượng carbon dioxide tương đối nhỏ. Quá trình tái sinh hơi nước là quá trình thu nhiệt - tức là nhiệt phải được cung cấp cho quá trình để phản ứng diễn ra.

Sau đó, trong cái được gọi là “phản ứng dịch chuyển nước - khí”, carbon monoxide và hơi nước được phản ứng bằng cách sử dụng chất xúc tác để tạo ra carbon dioxide và nhiều hydro hơn. Trong bước quy trình cuối cùng được gọi là “hấp phụ dao động áp suất”, carbon dioxide và các tạp chất khác được loại bỏ khỏi dòng khí, để lại hydro tinh khiết. Reforming hơi nước cũng có thể được sử dụng để sản xuất hydro từ các loại nhiên liệu khác (chẳng hạn như ethanol, propan, hoặc thậm chí là xăng).

Phản ứng reforming hơi nước - metan: CH4 + H2O (+ nhiệt) → CO + 3H2.

Phản ứng dịch chuyển nước - khí: CO + H2O → CO2 + H2 (+ lượng nhiệt nhỏ).

- Oxy hóa một phần (Partial Oxidation):

Trong quá trình oxy hóa một phần, metan và các hydrocacbon khác trong khí tự nhiên phản ứng với một lượng oxy hạn chế (thường là từ không khí) không đủ để oxy hóa hoàn toàn các hydrocacbon thành carbon dioxide và nước. Với ít hơn lượng oxy cân bằng hóa học có sẵn, các sản phẩm phản ứng chứa chủ yếu là hydro, carbon monoxide (và nitơ, nếu phản ứng được thực hiện với không khí chứ không phải oxy nguyên chất), và một lượng tương đối nhỏ carbon dioxide cùng các hợp chất khác. Sau đó, trong phản ứng dịch chuyển nước - khí, carbon monoxide phản ứng với nước để tạo thành carbon dioxide và nhiều hydro hơn.

Quá trình oxy hóa phần là một quá trình tỏa nhiệt. Thông thường, quá trình này nhanh hơn nhiều so với cải cách hơi nước và yêu cầu bình phản ứng nhỏ hơn. Như có thể thấy trong các phản ứng hóa học của quá trình oxy hóa một phần, quá trình này ban đầu tạo ra ít hydro hơn trên mỗi đơn vị nhiên liệu đầu vào so với quá trình tái tạo hơi nước của cùng một loại nhiên liệu.

Phản ứng oxy hóa phần metan: CH4 + ½O2 → CO + 2H2 (+ nhiệt).

Phản ứng dịch chuyển nước - khí: CO + H2O → CO2 + H2 (+ lượng nhiệt nhỏ).

Reforming khí tự nhiên với chi phí thấp có thể cung cấp hydro ngày nay cho các phương tiện chạy bằng pin nhiên liệu (FCEV), cũng như các ứng dụng khác. Về lâu dài, DoE hy vọng, việc sản xuất hydro từ khí tự nhiên sẽ được tăng cường với sản xuất từ năng lượng tái tạo, hạt nhân, than đá (có thu hồi, lưu trữ carbon) và các nguồn năng lượng trong nước có hàm lượng carbon thấp khác.

Tiêu tốn nhiên liệu hydro và khí thải phát ra thấp hơn so với xe động cơ đốt trong chạy bằng xăng. Sản phẩm duy nhất từ ống xả FCEV là hơi nước, nhưng tổng lượng khí thải nhà kính đã giảm một nửa và tiêu thụ nhiên liệu giảm hơn 90% so với xe chạy xăng ngày nay.

2. Công nghệ điện phân:

Dòng điện phân ly nước thành hydro và oxy. Nếu điện được sản xuất bởi các nguồn tái tạo (chẳng hạn như năng lượng gió, mặt trời), thì hydro thu được cũng sẽ được coi là tái tạo. Các dự án chuyển đổi năng lượng thành hydro hiện đang sôi động, sử dụng điện năng tái tạo dư thừa (nếu có) để tạo ra hydro thông qua quá trình điện phân.

Công nghệ điện phân (Electrolysis) là một lựa chọn đầy hứa hẹn để sản xuất hydro không có carbon từ các nguồn năng lượng tái tạo và hạt nhân. Đây thực chất là quá trình sử dụng điện để tách nước thành hydro và oxy trong một thiết bị gọi là máy điện phân. Máy điện phân có thể có kích thước từ thiết bị nhỏ, cỡ thiết bị rất phù hợp để sản xuất hydro phân tán quy mô nhỏ đến các cơ sở sản xuất trung tâm, quy mô lớn có thể được liên kết trực tiếp với các nguồn điện tái tạo.

Giống như pin nhiên liệu, máy điện phân bao gồm cực dương và cực âm được ngăn cách bởi chất điện phân. Các máy điện phân khác nhau hoạt động theo những cách khác nhau, chủ yếu là do loại vật liệu điện phân khác nhau có liên quan và loại ion mà nó tiến hành.

- Máy điện phân dùng màng điện phân polymer:

Trong máy điện phân màng điện phân polymer (Polymer Electrolyte Membrane Electrolyzers, hay PEM), chất điện phân là vật liệu nhựa đặc biệt thể rắn. Nước phản ứng ở cực dương để tạo thành oxy và các ion hydro tích điện dương (proton). Các electron chạy qua một mạch bên ngoài và các ion hydro di chuyển có chọn lọc qua PEM đến cực âm. Ở cực âm, các ion hydro kết hợp với các electron từ mạch ngoài để tạo thành khí hydro.

Phản ứng cực dương: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e-.

Phản ứng cực âm: 4H+ + 4e- → 2H2.

- Máy điện phân kiềm:

Máy điện phân kiềm hoạt động thông qua việc vận chuyển các ion hydroxit (OH-) qua chất điện phân từ cực âm sang cực dương với hydro được tạo ra ở phía cực âm. Máy sử dụng dung dịch kiềm lỏng của natri, hoặc kali hydroxit làm chất điện phân đã có mặt trên thị trường trong nhiều năm. Các phương pháp mới hơn sử dụng màng trao đổi kiềm rắn (AEM) làm chất điện phân đang cho thấy nhiều hứa hẹn ở quy mô phòng thí nghiệm.

- Máy điện phân oxit rắn:

Máy điện phân oxit rắn, sử dụng vật liệu gốm rắn làm chất điện phân dẫn điện có chọn lọc các ion oxy tích điện âm (O2-) ở nhiệt độ cao, tạo ra hydro theo một cách hơi khác.

Hơi nước ở cực âm kết hợp với các electron từ mạch ngoài để tạo thành khí hydro và các ion oxy tích điện âm. Các ion oxy đi qua màng gốm rắn và phản ứng ở cực dương để tạo thành khí oxy và tạo ra các electron cho mạch ngoài.

Máy điện phân oxit rắn phải hoạt động ở nhiệt độ đủ cao để màng oxit rắn hoạt động bình thường (khoảng 700° - 800°C, so với máy điện phân PEM hoạt động ở nhiệt độ 70° - 90°C và máy điện phân kiềm thương mại thường hoạt động ở nhiệt độ dưới 100°C). Máy điện phân oxit rắn tiên tiến ở quy mô phòng thí nghiệm dựa trên chất điện phân gốm dẫn proton đang cho thấy triển vọng giảm nhiệt độ vận hành xuống 500° - 600°C. Máy điện phân kiểu này có thể sử dụng hiệu quả nhiệt có sẵn ở những nhiệt độ cao này (từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm cả năng lượng hạt nhân) để giảm lượng điện năng cần thiết để sản xuất hydro từ nước.

Điện phân là con đường sản xuất hydro hàng đầu để đạt được mục tiêu Hydrogen Energy Earthshot là giảm 80% chi phí hydro sạch xuống còn 1 USD/1 kg trong 1 thập kỷ. Hydrogen Energy Earthshot là sáng kiến của DoE nhằm đẩy nhanh các bước đột phá về các giải pháp năng lượng sạch dồi dào, có thể chi trả và đáng tin cậy hơn trong thập kỷ này.

Hydro được sản xuất thông qua quá trình điện phân không phát thải khí nhà kính, tùy thuộc vào nguồn điện được sử dụng. Nguồn điện cần thiết - bao gồm cả chi phí và hiệu quả, cũng như lượng khí thải do phát điện phải được xem xét khi đánh giá lợi ích và khả năng kinh tế của việc sản xuất hydro thông qua quá trình điện phân.

Ở nhiều vùng của Hoa Kỳ, lưới điện ngày nay không lý tưởng để cung cấp điện cần thiết cho quá trình điện phân do khí nhà kính thải ra và lượng nhiên liệu cần thiết cho quá trình phát điện. Vì vậy, sản xuất hydro thông qua điện phân đang được kỳ vọng cho các lựa chọn năng lượng tái tạo (gió, mặt trời, thủy điện, địa nhiệt) và năng lượng hạt nhân. Các con đường sản xuất hydro này dẫn đến lượng khí thải nhà kính và chất gây ô nhiễm tiêu chí gần như bằng không. Tuy nhiên, chi phí sản xuất cần phải giảm thêm để có thể cạnh tranh với các phương pháp reforming khí tự nhiên.

Sản xuất hydro thông qua quá trình điện phân có thể mang lại cơ hội cho việc phát điện không ổn định và không liên tục, vốn là đặc điểm của một số công nghệ năng lượng tái tạo. Ví dụ, mặc dù chi phí năng lượng gió tiếp tục giảm, nhưng sự thay đổi vốn có của gió là một trở ngại cho việc sử dụng hiệu quả năng lượng gió. Nhiên liệu hydro và sản xuất điện có thể được tích hợp tại một trang trại gió, cho phép linh hoạt chuyển đổi sản xuất để phù hợp nhất với nguồn tài nguyên sẵn có với nhu cầu vận hành hệ thống và các yếu tố thị trường.

Ngoài ra, trong thời gian sản xuất điện dư thừa từ các trang trại gió, thay vì cắt giảm lượng điện như thường được thực hiện, có thể sử dụng lượng điện dư thừa này để sản xuất hydro thông qua quá trình điện phân.

3. Reforming chất lỏng có nguồn gốc từ sinh khối:

Chất lỏng có nguồn gốc từ các nguồn sinh khối - bao gồm etanol và dầu sinh học có thể được chuyển hóa để sản xuất hydro trong một quy trình tương tự như reforming khí tự nhiên. Các chất lỏng có nguồn gốc từ sinh khối có thể được vận chuyển dễ dàng hơn so với nguyên liệu sinh khối của chúng, cho phép sản xuất bán trung tâm, hoặc có thể sản xuất hydro phân tán tại các trạm tiếp nhiên liệu.

Quá trình reforming chất lỏng có nguồn gốc từ sinh khối thành hydro rất giống với quá trình reforming khí tự nhiên và bao gồm các bước sau:

Nhiên liệu lỏng được phản ứng với hơi nước ở nhiệt độ cao với sự có mặt của chất xúc tác để tạo ra khí tổng hợp, bao gồm chủ yếu là hydro, carbon monoxide và một số carbon dioxide. Hydro và carbon dioxide bổ sung được tạo ra bằng cách phản ứng carbon monoxide (được tạo ra ở bước đầu tiên) với hơi nước ở nhiệt độ cao trong “phản ứng dịch chuyển nước - khí”. Cuối cùng, hydro được tách ra và tinh chế.

Phản ứng reforming hơi nước (ethanol): C2H5OH + H2O (+ nhiệt) → 2CO + 4H2.

Phản ứng dịch chuyển nước - khí: CO + H2O → CO2 + H2 (+ lượng nhiệt nhỏ).

Tại Hoa Kỳ, có nhiều sinh khối hơn mức cần thiết cho nhu cầu thực phẩm và thức ăn chăn nuôi. Một báo cáo gần đây dự đoán rằng: Với những cải tiến dự kiến trong thực hành nông nghiệp và nhân giống cây trồng, có thể có tới 1 tỷ tấn sinh khối khô để sử dụng làm năng lượng hàng năm. Điều này tương đương với tiềm năng khoảng 13 - 14 triệu tỷ Btu/năm (vào năm 2030). Sinh khối có tiềm năng trở thành nguồn đóng góp chính cho năng lượng tái tạo.

4. Chuyển đổi sinh khối vi sinh vật:

Sinh khối được chuyển đổi thành nguyên liệu giàu đường có thể được lên men để tạo ra hydro. Các quá trình chuyển đổi sinh khối vi sinh vật (Microbial biomass conversion) tận dụng khả năng tiêu thụ và tiêu hóa sinh khối của vi sinh vật và giải phóng hydro. Tùy thuộc vào lộ trình, nghiên cứu này có thể dẫn đến các hệ thống quy mô thương mại trong khung thời gian trung và dài hạn.

Trong các hệ thống dựa trên quá trình lên men, các vi sinh vật, chẳng hạn như vi khuẩn, phân hủy chất hữu cơ để tạo ra hydro. Chất hữu cơ có thể là đường tinh chế, nguồn sinh khối thô như thân cây ngô và thậm chí cả nước thải. Bởi vì không cần ánh sáng, những phương pháp này đôi khi được gọi là phương pháp “lên men tối”.

Trong quá trình lên men hydro trực tiếp, vi khuẩn tự tạo ra hydro. Những vi khuẩn này có thể phá vỡ các phân tử phức tạp thông qua nhiều con đường khác nhau và các sản phẩm phụ của một số con đường có thể được kết hợp bởi các enzym để tạo ra hydro. Các nhà khoa học đang nghiên cứu cách làm cho hệ thống lên men tạo ra hydro nhanh hơn (cải thiện tốc độ) và tạo ra nhiều hydro hơn từ cùng một lượng chất hữu cơ (tăng sản lượng).

Pin điện phân vi sinh vật (MEC) là thiết bị khai thác năng lượng và proton do vi khuẩn phân hủy chất hữu cơ tạo ra, kết hợp với một dòng điện nhỏ bổ sung, để tạo ra hydro. Công nghệ này rất mới và các nhà nghiên cứu đang nỗ lực cải thiện nhiều khía cạnh của hệ thống, từ việc tìm kiếm vật liệu chi phí thấp hơn đến việc xác định loại vi khuẩn hiệu quả nhất để sử dụng.

Sinh khối là một nguồn tài nguyên dồi dào và nhiều vi khuẩn đã tiến hóa để phân hủy hiệu quả sinh khối để tạo ra hydro và các sản phẩm khác. Quá trình lên men đã được sử dụng như một công nghệ công nghiệp để tạo ra nhiên liệu sinh học và các sản phẩm khác, đồng thời nhiều thách thức đối với việc mở rộng hệ thống đã được giải quyết cho các sản phẩm khác nhau, cho phép các nhà nghiên cứu hydro tập trung vào những thách thức riêng đối với sản xuất hydro. Các hệ thống dựa trên MEC có khả năng sản xuất hydro từ các nguồn tài nguyên không thể sử dụng để sản xuất nhiên liệu và có thể giảm lượng lớn năng lượng thường cần để xử lý nước thải trong khi tạo ra nhiên liệu có giá trị ở dạng hydro.

Hiện nay các cải thiện tốc độ và sản lượng sản xuất hydro từ quá trình lên men thông qua một số phương pháp như cải tiến chủng vi sinh vật, tối ưu hóa hệ thống lò phản ứng, xác định nguồn nguyên liệu và phương pháp xử lý đang được nghiên cứu để nâng cao năng suất phù hợp cho mục đích thương mại quy mô lớn./.

KHẮC NAM - CHUYÊN GIA TẠP CHÍ NĂNG LƯỢNG VIỆT NAM

(THEO: AFDC/EG - 6/2023)